Impacto de la energía eólica en la regulación frecuencia-potencia de sistemas eléctricos pequeños

Abstract

Los sistemas eléctricos de potencia están experimentando una gran transformación en su estructura debido a la incorporación al sistema de las energías renovables. Frente al sistema tradicional compuesto por una cantidad relativamente pequeña de grandes generadores térmicos e hidráulicos se impone una nueva organización, en la que además de los grandes generadores convencionales, habrá instalada una potencia de hasta el 25% de energías renovables, según las previsiones. Habitualmente un sistema eléctrico cubre una gran extensión geográfica, tiene una gran cantidad de generadores y líneas y da cobertura a una gran cantidad de usuarios, estando conectado con uno o varios sistemas adyacentes. Un sistema eléctrico aislado debido a alguna restricción de tipo económico, político, técnico o geográfico da cobertura a menos usuarios, tiene menos generadores y menos líneas. Este condicionante no permite aprovechar las sinergias que brindan las interconexiones eléctricas y que se resume en una mayor estabilidad en un sistema. Este aislamiento produce además un incremento del coste de la generación por la imposibilidad de realizar una optimización conjunta del 1 sistema para asegurar la calidad de servicio, por todo esto, el impacto que en un sistema • eléctrico aislado produce la instalación de generadores eólicos es, por sus características, mucho mayor que en el de el sistema eléctrico convencional. Con este estudio se pretende establecer una metodología que permita en poco tiempo y con la suficiente precisión determinar la generación eólica máxima admisible en un sistema eléctrico aislado. Para ello se ha desarrollado un software que mediante la simulación de incidentes en la generación eólica consigue, en un escenario concreto de generación y demanda, determinar que cantidad de generación eólica se puede utilizar en condiciones de seguridad. SIMULACIÓN DE INCIDENTES. Para determinar la máxima generación técnica admisible el método que se ha empleado ha sido la simulación de incidentes en escenarios concretos de generación y demanda. Dado un escenario inicial, en el que toda la demanda esta cubierta con generación convencional se introduce generación eólica y se aumenta la demanda tanto como la generación total ha aumentado. En estas condiciones se simula la perdida súbita de la generación eólica. Si tras la perdida de la generación eólica, la frecuencia, no alcanza un limite inferior determinado por el usuario, que seria la frecuencia de deslastre, se considera que se puede incrementar la generación eólica para ese sistema concreto. Se vuelve a simular el sistema con mayor generación eólica y se simula de nuevo la perdida súbita de la generación eólica hasta que la frecuencia mínima alcanza la frecuencia de deslastre. Llegados a este punto se considera que para el escenario en cuestión esa cantidad de generación eólica es la máxima admisible. MODELO UTILIZADO. El modelo que se ha utilizado se muestra en la figura 1. El modelo esta compuesto por n generadores, la demanda, la generación eólica y un bloque que simula el comportamiento del conjunto del sistema. El modelo del generador, puede ser de mayor o menor complejidad. Uno de los objetivos secundarios del proyecto ha sido determinar cual es la influencia de la complejidad del modelo del generador en la determinación de la generación eólica máxima admisible. CONSTRUCCIÓN Y SIMULACIÓN DE MODELOS. El método utilizado para la determinación de la generación eólica máxima admisible requiere de la construcción de gran cantidad de modelos así como de la realización de una enorme cantidad de simulaciones. Para poder llevar a cabo este método se ha desarrollado un software que automatiza tanto la construcción como la simulación de los modelos. De los muchos programas que permiten la simulación de sistemas se ha utilizado el paquete software Matlab/Simulink, ya que permite la creación de modelos mediante código programado. Así un código desarrollado en el lenguaje propio de Matlab permite, a partir de una matriz que contiene los datos de los generadores y de los despachos iníciales, y una serie de parámetros de simulación definidos por el usuario construir todos los modelos y simular todos los incidentes necesarios para determinar la generación eólica máxima admisible. SISTEMAS ELECTRICOS ANALIZADOS Para construir los diferentes escenarios para simular, el programa necesita los valores de todos los parámetros de todos los generadores. Para obtener los resultados se han utilizado datos de dos sistemas ejemplo. Puesto que no se dispone de datos reales estos sistemas son inventados, aunque las características de respuesta de los generadores se corresponden a generadores reales. Los sistemas se han elegido para tener un ejemplo de un sistema pequeño y otro de tamaño mayor. Para cada uno de ellos se han establecido unos 25 escenarios. CONCLUSIONES Después de realizadas todas las simulaciones y sobre todos los escenarios disponibles se ha llegado a la conclusión de que la característica que mas limita la generación eólica admisible es la inercia presente en el sistema. Otros factores como la reserva modifican la cantidad de generación eólica, sin embargo dependiendo del límite impuesto por la inercia el incremento que la generación eólica admisible experimenta puede ser muy pequeño para incrementos enormes de la reserva. A través de ensayos en los que la reserva presente en un escenario concreto había sido artificialmente incrementada, de manera que no supusiera una limitación para generación eólica admisible, se ha determinado que si la inercia es el factor que limita la generación eólica máxima admisible un incremento de la reserva del 50 % puede suponer un incremento de la generación eólica admisible del 2% sobre la demanda total. Se consigue determinar un punto en el que la correcta planificación de la reserva y la inercia supone un optimo en el que en caso de incidente toda la generación eólica perdida podrá ser reemplazada por la reserva sin que esta este sobredimensionada.

The power systems are undergoing an enormous change in their structures because of the incorporation to the system of the renewable energy. Opposite to the traditional sys tem formed by a relatively small quantity of big generators thermal and hydraulic a new organization is imposed where moreover of the big conventional generators, it will be installed a power until 25% of renewable energy, according to the forecasL Usually an electrical power system covers a huge geographical extension; it has a great quantity of power generators and electrical lines and covers the demand of many users, being connected with one or several adjacent systems. An electrical isolated system due to any economical, political , technical or geographic restriction covers less users, it has less power generators and less electrical lines. This determining factor doesn ' t allow making the most of the synergies that gives the electric interconnections and permita better stability in the system. This isolation produce also an increment of the cost of power generation because of the impossibility to realize an optimization of the whole system to assure the quality of the service, on the whole, the impact that in an isolated electric system produce the installation of wind power generators is, by their characteristics, even more than in the conventional electric systems. With this project we try to develop a new methodology that allows in a little time and with enough precision determine the maximum admissible wind power generation in an isolated electric system. For this object we have developed software that with the simulation of incidents in the wind power generation permits, in a determinate scene of generation and demand, determine the quantity of the wind power generation that could be used in security conditions. lNCIDENT SIMULATION. To determine the maximum wind power generation admissible the method that we have applied has been the incident simulation in a determínate scene of generation and demand. Starting with an initial scene, in which all the demand is covered by conventional power generation we introduced the wind power generation and it increases the demand as well as the full power generation has increases. In these conditions we simulate the sudden disconnection of the wind power generation. If after the disconnection of the wind power generation, the frequency doesn't arrive to a lower value determinate by the user, we consider that the wind power generation could increase for this system. W e repeat the system simulation with more wind power generation and we simulate again the sudden disconnection of wind power generation until the minimum frequency approach to lower value of the frequency. When we ha ve arrived at this point we consider that for this scene the quantity of wind power generation is the maximum admissible. USED MODEL. The model of the system that we have used is shown in figure 1. The model is made by n power generators, the demand, the wind power generation, and a block that simulates the behavior of all the system. The model of the power generator could be more or less complex. One of the secondary objectives of the project has been to determine which is the influence of the complexity of the model of the power generator in the determination of the maximum admissible wind power generation. CONSTRUCTION AND SIMULATION OF MODELS. The used method for the determination of the maximum admissible wind power generation needs the construction of a great quantity of models and also the achievement of a huge quantity of simulations. To carry out this method we have developed software that builds and simulates the models automatically. From all the programs that allow the systems simulatíons we have used Matlab/Simulink, because it permits the creation of models by programmed code. With a code developed in Matlab language, allows, starting with a matrix that contaíns the data of the power generators and the initial dispatches, and a set of simulation parameters defined by the user buíld all the models and símulates all the íncídents required to determine the maximum admissible wind power generation. ANALICED ELECTRIC SYSTEMS. To buíld the dífferent scenes to símulate, the program needs the values of the parameters of all the power generators. To obtain the results we have used the data of two example systems. Due to we didn't have the real data this systems are invented, although the response characteristics of the power generators are real. The systems were chosen for havíng an example of a small system and a bigger one. For each of them we have used around 25 scenes. CONCLUSIONS After havíng done all the símulatíons in all the avaílable scenes we have arrived to the conclusion that the characteristic that most limits the admissible wind power generation is the inertia in the system. Other factors as the reserve can modify de quantity of wind power generation, however depending of the defined limit by the inertia the increase that the admissible wind power generation suffers can be very small for a huge increase or the reserve. Through the essays in which the reserve in the scene has been increased by us, so that couldn't be limitation for the admissible wind power generation, it could be determínate that if the inertia is the factor that limits the maximum admissible wind power generation an increase in the reserve of 50% could supposed an increase in the admissible wind power generation of 2% over the full demand.